Neutroner kaster lys over industriel katalysator til brintproduktion

Samarbejdspartnere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og amerikanske universiteter brugte neutronspredning og andre avancerede karakteriseringsteknikker til at studere, hvordan en fremtrædende katalysator gør det muligt for "vand-gas-skift"-reaktionen at rense og generere brint i industriel skala.

Resultater offentliggjort i Journal of the American Chemical Society afgjorde en langvarig debat om katalysatorens reaktionsmekanisme, åbne ruter for at forbedre omkostningerne og effektiviteten af ​​storstilet brintproduktion.

"Vores arbejde fremmer markant grundlæggende forståelse af et kompleks, industrikritisk katalysator, der har været svær at studere, " sagde Zili Wu fra ORNL's Chemical Sciences Division. "At bestemme, hvordan denne reaktion fungerer på atomniveau, muliggør yderligere bestræbelser på at optimere katalysatoren for forbedret ydeevne."

Samarbejdspartnere undersøgte en kobber-chrom-jernoxid-katalysator (CuCrFeO _x ) leveret af Lehigh University.

"Vi kender allerede den eksisterende CuCrFeO _x katalysator virker, men hvordan det virker har været genstand for debat, " sagde ORNLs Felipe Polo-Garzon, som arbejdede sammen med Wu på holdets multimodale tilgang til at lokalisere katalysatorens reaktionsmekanisme.

Målet var at studere, hvordan katalysatoren opfører sig under virkelige forhold for at finde bevis for enten en oxidationsreduktion ("redox") eller en associativ mekanisme - to fremherskende teorier om, hvordan CuCrFeO _x arbejder på at producere brint.

I en redoxreaktion, reaktanter udveksler nogle af deres atomer med katalysatorens overflade for at give nye stoffer, i dette eksempel, brint og kuldioxid. Derimod i en associativ reaktion, alle de reagerende molekyler binder sig til katalysatorens overflade i et mellemtrin for at nå frem til de endelige produkter.

For utvetydigt at bevise, hvordan CuCrFeO _x katalysator virker (redox vs. associativ mekanisme), forskere kaster et bredt net af eksperimentelle og beregningsmetoder.

Alle resultater pegede på den samme konklusion - en redoxreaktion. Ved høje temperaturforhold, Katalysatoren mister oxygenatomer for at give plads til vandmolekyler, der dissocierer og afgiver rent brint.

"Svaret er vigtigt, fordi det hjælper os med at identificere det kritiske punkt i reaktionen, hvor brint genereres, sagde Polo-Garzon.

Mange eksisterende katalysatorer er blevet skabt gennem forsøg og fejl, hvilket ofte begrænser deres effektivitet. Holdets grundlæggende opdagelse kunne eliminere gætværk og fortælle forskerne præcist, hvor de skal lede efter muligheder for at syntetisere en bedre katalysator til at generere brint.

Brint er jordens mest udbredte grundstof, men det forekommer ikke naturligt i den rene form, som industrierne kræver til olieraffinering, ammoniakproduktion til gødning, fødevareforarbejdning, metalbehandling, og andre brede applikationer. Det meste af verdens brintforsyning produceres ved damp-metan-reformering - omdannelse af naturgas til en brintblanding, der raffineres via vand-gas-skiftkatalyse for at lave rent brint.

Adskillige faktorer begrænser forståelsen af, hvad der gør brintgenerering mulig under vand-gas shift-reaktionen. CuCrFeO _x katalysator rekonstruerer under drift, så de friske og brugte versioner er forskellige, gør det særligt udfordrende at karakterisere materialet. Tidligere, information om, hvordan overfladekemien ændrer sig under reaktionsbetingelser, har manglet i puslespillet.

En anden forhindring er forbindelsens farve. Den sorte katalysator hindrer optisk spektroskopi og andre konventionelle teknikker, der er afhængige af lys for at opnå data, fordi prøven er for mørk til at "se" effektivt.

Neutronvibrationsspektroskopi-eksperimenter udført på VISION-strålelinjen ved ORNL's Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet, hjalp med at overvinde nogle af udfordringerne ved at studere CuCrFeO _x .

Fordi neutroner interagerer med prøver anderledes end lys gør, de kan supplere information opnået fra optiske teknikker. De er også ideelle til at observere brint, hvilket er svært at opdage med andre eksperimentelle metoder på grund af grundstoffets lave atomvægt.

Udbetalingen var dobbelt, siger Polo-Garzon. "Neutroner gav os en kritisk brik i puslespillet for at modbevise den associative mekanisme, viser os, at intet relevant mellemprodukt var til stede på katalysatorens overflade, " sagde han. "Vi observerede også noget, der ikke tidligere er blevet opdaget på katalysatorens overflade - hydrider."

Hydrider er overfladearter, der spiller en nøglerolle i hydrogenbaserede reaktioner, men er ekstremt vanskelige at observere i blandede metalmaterialer som CuCrFeO _x .

Ud over neutronforsøg, forskere udførte infrarød spektroskopi og temperaturprogrammeret overfladereaktionskarakterisering ved Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science brugerfacilitet, og isotopisk forbigående kinetisk analyse ved ORNL; nær-omgivelsestryk røntgenfotoelektronspektroskopi ved University of Kansas; og tæthedsfunktionsteoriberegninger ved University of California, Riverside, som brugte ressourcer fra National Energy Research Scientific Computing Center, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

"Du har brug for mere end én tilgang til at indsamle og fortolke al den information, der er nødvendig for at bygge hele historien, " sagde Polo-Garzon. "Vores samarbejde fremhæver succesen med en multimodal tilgang til at give fundamentale gennembrud."

Tidsskriftsartiklen er udgivet som "Belysning af reaktionsmekanismen for højtemperaturvandgasskifte over en industriel kobber-krom-jernoxidkatalysator."